胡元平, 劉紅衛(wèi), 柯 立, 馬 俊, 江 凱, 李志鵬, 朱志明

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省淺層地溫能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

層次分析法在武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評價中的應用

胡元平1，2, 劉紅衛(wèi)1，2, 柯 立1，2, 馬 俊1，2,
江 凱1，2, 李志鵬1，2, 朱志明1，2

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省淺層地溫能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

采用層次分析法對武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵進行適宜性分區(qū),選取第四系厚度、淺層地質(zhì)結構分區(qū)、有效含水層厚度、地下水發(fā)育程度、分層地下水水質(zhì)、地層平均熱傳導系數(shù)、平均比熱容、地層每延米換熱量、鉆井條件、成孔單價等10項作為評價因子。評價結果為武漢市都市發(fā)展區(qū)基本都適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設,其中武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區(qū)為不適宜區(qū)。

層次分析法；地埋管地源熱泵；適宜性分區(qū)

層次分析法,是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統(tǒng),將目標分解為多個目標或準則,進而分解為多指標(或準則、約束)的若干層次,通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序(權數(shù))和總排序,以作為目標(多指標)、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。

層次分析法中將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的要素指標的順序分解為不同的層次結構,然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法,求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權重,最后再加權求和的方法求各指標對總目標的最終權重。這里所謂“優(yōu)先權重”是一種相對的量度,它表明各指標在某一特點的評價準則或子目標下優(yōu)越程度的相對量度,以及各子目標對上一層目標而言重要程度的相對量度。層次分析法比較適合于具有分層交錯評價指標的目標系統(tǒng),而且目標值又難于定量描述的決策問題[1-2]。

武漢屬典型的夏熱冬冷氣候區(qū),常年建筑制冷供暖需求量大,都市發(fā)展區(qū)范圍地埋管淺層地溫能資源量豐富,開發(fā)利用具備良好的基礎條件[3]。

淺層地溫能資源開發(fā)利用受區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，淺層地溫條件控制,不同區(qū)域的資源利用方式和可利用規(guī)模存在差異,開發(fā)利用時首先需進行適宜性區(qū)劃,確定各區(qū)段適宜的開發(fā)利用方式,進行分區(qū)分級；開發(fā)利用適宜性分區(qū)評價是計算評價區(qū)淺層地溫能可利用資源量和開發(fā)利用潛力的前提,是編制開發(fā)利用規(guī)劃的基礎,對武漢市淺層地溫能開發(fā)利用具有重要指導意義[4-10]。

1 評價方法及過程

適宜性分區(qū)評價主要采用層次分析法進行,其基本步驟為:

(1) 建立層次結構模型 一般分為3層,最上面為目標層,最下面為要素指標層,中間為屬性層。

(2) 構造判斷矩陣 從第二層開始用1～9尺度構造成比較矩陣。

(3) 計算單排序權向量并做一致性檢驗 求最大特征對應的歸一化特征向量,做一致性檢驗。

(4) 計算總排序權向量并做一致性檢驗 利用層次單排序,計算層次總排序,并做一致性檢驗。

具體評價過程中,根據(jù)地源熱泵運行特點及武漢市開發(fā)利用現(xiàn)狀,首先建立評價結構模型,選取評價要素指標和因子,要素指標分為不同區(qū)段,邀請專家,對各指標進行重要性對比、打分,匯總后進行一致性檢驗,最終確定地源熱泵適宜性分區(qū)的評價體系、要素和權重。

確定評價方法后,利用搜集到的1 221份工程、水文鉆孔資料及現(xiàn)場熱物性測試資料,對各個鉆孔點或試驗測試點等按評價要素分區(qū)段分別進行賦值,求出該點對于某一單要素的具體得分。

利用Mapgis軟件在評價范圍內(nèi)建立評價網(wǎng)格點,將各要素得分賦到評價網(wǎng)格點上。采用綜合指數(shù)法,將每個網(wǎng)格點上的各屬性賦值與其相對應的權重值相乘,然后求和,即可得出各點的最終得分。根據(jù)得分分布,確定地源熱泵系統(tǒng)各個適宜區(qū)的分值數(shù)范圍,繪制分區(qū)圖,對分區(qū)圖進行修正,完成評價區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)。

2 評價指標選取

地埋管淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要從地質(zhì)條件、地形地貌、巖土體換熱能力、資源分布、開發(fā)利用環(huán)境影響、開發(fā)成本等方面綜合考慮進行分區(qū),要素層確定為4個指標，共10個因子。

(1) 地質(zhì)條件 包括第四系厚度和淺層地質(zhì)結構分區(qū)2個因子。第四系覆蓋層與下伏基巖在儲熱及導熱性能上存在區(qū)別,基巖換熱效率高于第四系覆蓋層,更有利于地埋管系統(tǒng)換熱,第四系厚度是影響地埋管適宜性分區(qū)的重要因素之一。淺層地質(zhì)結構分區(qū)主要指評價區(qū)內(nèi)不同巖土體不同的組合方式,其換熱效率及地埋管系統(tǒng)利用能力也不同,相對來說,上覆中更新統(tǒng)老粘土下伏非碳酸鹽巖類巖體,地埋管系統(tǒng)的利用效率更高。

(2) 水文地質(zhì)條件 包括有效含水層厚度、地下水發(fā)育程度、分層地下水水質(zhì)3個因子。據(jù)巖土體換熱能力試驗結果,含水巖土體的導熱能力及儲熱能力均比不含水巖土體高,地下水系統(tǒng)越發(fā)育、含水層厚度越大,單孔換熱效率越高；地埋管施工、運行工程中可能對地下水水質(zhì)造成污染,或在不同水質(zhì)含水層間形成滲透通道,開發(fā)利用時對地下水水質(zhì)及多層水的影響在分區(qū)評價時需要考慮。

(3) 地層熱物理性質(zhì) 包括平均熱傳導系數(shù)、平均比熱容、延米換熱量3個因子。地埋管換熱深度范圍內(nèi)巖土體的熱物理性質(zhì)反映巖土體傳熱能力,地層平均導熱系數(shù)越高,越有利于熱量擴散,產(chǎn)生熱堆積的可能性更?。黄骄葻崛莘从沉藥r土體儲熱能力,比熱容越高,則儲熱能力越強；每延米換熱量體現(xiàn)現(xiàn)場條件下單位長度巖土體實際換熱能力,包含了其它未測定復雜因素影響結果。

(4) 經(jīng)濟性 鉆進條件反映了地埋管施工難易程度,地層硬度越高,結構越復雜,施工難度越大，成孔成本越高,該處地埋管系統(tǒng)可行性就越差。

按照上述原則,建立評價體系,如圖1。

圖1 地埋管地源熱泵層次分析法模型結構圖Fig.1 Model structure of analytic hierarchy process about ground-coupled heat pump

3 評價因子權重確定

根據(jù)專家打分結果,得到評價各因子權重(見表1)。

表1 地埋管地源熱泵適宜性評價因子權重表Table 1 Secondary factor weight of ground-coupled heat pump suitability evaluation

4 綜合評價

利用Mapgis軟件在評價范圍內(nèi)建立橫縱間距為0.5 km的評價網(wǎng)格點,將各點各要素因子根據(jù)要素指標分段評分表進行賦分,再采用綜合指數(shù)法,將每個網(wǎng)格點上的10項屬性賦值與其相對應的權重值相乘,然后求和,即可得出各點的適宜性評價最終得分。根據(jù)得分分布,確定地埋管地源熱泵系統(tǒng)各個適宜區(qū)的分數(shù)范圍,繪制分區(qū)圖；對分區(qū)圖進行修正,完成地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)。各要素因子主要特征如下:

第四系較厚的區(qū)域主要集中在長江、漢江兩岸一級階地。

淺層地質(zhì)結構分區(qū)中,剝蝕丘陵巖體主要分布于長江、漢江以南武昌區(qū)、漢陽區(qū)、江夏區(qū)及蔡甸區(qū)廣大地區(qū)；堆積平原一級階地主要分布于長江、漢江及府河兩岸；堆積平原二級階地分布于青山區(qū)及東西湖區(qū)一帶；剝蝕堆積平原下伏碳酸鹽巖類主要分布于江夏區(qū)、蔡甸區(qū)境內(nèi)低壟崗平原帶,其余地區(qū)為剝蝕堆積平原下伏非碳酸鹽巖類。

地埋管有效含水層厚度分布中,一級階地前緣、長江漢江沿岸有效含水層厚度較大,并隨著一級階地前緣向二級階地延伸逐漸減小。漢口江岸區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)和武昌區(qū)沿江一級階地、白沙洲兩側一級階地含水層厚度普遍>15 m。

地下水發(fā)育程度分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水及碳酸鹽裂隙巖溶水等三種類型,其中松散巖類孔隙水及碳酸鹽裂隙巖溶水單井涌水量較大,可達500 m3/d,屬地下水發(fā)育區(qū)。

水質(zhì)分區(qū)中,武漢都市發(fā)展區(qū)地下水多為較差、極差,僅局部碳酸鹽巖溶水為優(yōu)質(zhì)水。

平均導熱系數(shù)最大的地區(qū)多集中在基巖裸露或埋深較淺的地區(qū),平均導熱系數(shù)中等的地區(qū)多為覆蓋層中有第四系砂層、砂卵層地區(qū),平均導熱系數(shù)較小的地區(qū)則是覆蓋層厚度較大且無第四系砂層地區(qū)。

平均比熱容較大的地區(qū)多為覆蓋層較厚的地區(qū),平均比熱容較小的地區(qū)多為基巖裸露或基巖較淺的地區(qū)。

武漢地區(qū)地層每延米換熱量多為55～60 W/m,取決于地層結構和巖土體熱物性參數(shù)。

地埋管換熱孔鉆孔成孔鉆進施工時,一級階地上軟土及砂層覆蓋層厚度普遍超過20 m,一般需要長套管支護成孔；碳酸鹽巖地區(qū)屬巖溶發(fā)育區(qū),成孔施工難度大；其余地區(qū)為一般區(qū)域。

武漢地區(qū)基本無換熱孔成孔單價<50元/m的地區(qū),第四系全新統(tǒng)一級階地且下伏碳酸鹽巖地區(qū)成孔單價一般>180元/m,第四系全新統(tǒng)一級階地地區(qū)多為120～180元/m,其它地區(qū)一般在90～120元/m。

表2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)界限值表Table 2 Boundary value table of suitability evaluation about ground-coupled heat pump

圖2 武漢市都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖Fig.2 Division of suitability about ground-coupled heat pump

5 評價結果

武漢市都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三類,各分區(qū)評價界限分值確定為30分、70分(表2),分區(qū)結果見圖2。

根據(jù)分析評價結果,適宜區(qū)為巖土層比熱容大、導熱系數(shù)高、換熱量較大、施工條件較好的地區(qū),總體分布在除長江、漢江一級階地以外的其它區(qū)域,該類地區(qū)一般覆蓋層較薄,基巖埋深較淺,巖土體換熱性能好,鉆井相對容易,成本較低。

巖土層比熱容較大、導熱系數(shù)較高、換熱量較大、施工條件較好的地區(qū),為開發(fā)利用較適宜區(qū)。從分布上看,較適宜區(qū)主要分布在長江、漢江一級階地處覆蓋層較厚的地方,由于覆蓋層巖土體導熱系數(shù)小相對基巖較小,巖土體換熱性能較差；另外,長江、漢江一級階地覆蓋層較厚區(qū)域成孔較困難,成本相對較高。

武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區(qū)上覆砂層、下伏巖溶發(fā)育地層,近年來多次發(fā)生巖溶塌陷,地埋管鉆孔施工及外界因素影響易誘發(fā),長期使用可靠性差,為地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用不適宜區(qū)。

在評價區(qū)內(nèi),地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)及較適宜區(qū)共占83.99%(2 769.15 km2),其中適宜區(qū)占57.46%(1 894.46 km2),較適宜區(qū)占26.53%(874.69 km2)；不適宜區(qū)占1.11%(36.60 km2),其它區(qū)域為地表水分布區(qū),占14.90%。

6 結論

根據(jù)評價目標,選擇適宜的評價結構模型和要素、因子及權重等,采用層次分析法,能夠輔助用于淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價,并與實際情況基本相符,是評價工作重要手段之一。

在其它地區(qū)應用時,需特別注意評價因子的選擇和權重的確定,以保證評價結果的科學、合理；在具體評價過程中,還必須經(jīng)過修正程序,將Mapgis軟件評價結果底圖與地質(zhì)條件、背景、應用實際等對照,確認分區(qū)界限分值、修正明顯不合理的分區(qū)界線；對某些特定地區(qū)進行特殊處理,如武漢都市發(fā)展區(qū)適宜性分區(qū)時,將巖溶塌陷區(qū)直接劃定為不適宜區(qū)。

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(責任編輯：李雯)

Application of Evaluation of Division of Suitability of Ground-CoupledHeat Pump in Wuhan Urban Development Area

HU Yuanping1,2, LIU Hongwei1,2, KE Li1,2, MA Jun1,2, JIANG Kai1,2, LI Zhipeng1,2, ZHU Zhiming1,2
(1.WuhanBrigadeofHydrogeologyandEngineeringGeology,Wuhan,Hubei430051; 2.HubeiShallowGeothermalEnergyResearchCenter,Wuhan,Hubei430051)

Using analytic hierarchy process to divide the suitability of ground-coupled heat pump in Wuhan urban development area,select thickness of quaternary,division of shallow stratum structure,thickness of effective aquifer,development of groundwater,groundwater quality,average thermal conductivity,average specific heat capacity,heat exchange every meter,drilling condition,cost of drilling as evaluation index. The evaluation result is that almost all of Wuhan city are suitable to construct ground-coupled heat pump system. Baishazhou of Wuchang,South-central steel rolling factory in Hanyang and Shamao of Hannan are unsuitable areas.

analytic hierarchy process;ground-coupled heat pump;division of suitability

2014-04-30；改回日期：2014-07-30

武漢市淺層地溫能調(diào)查評價項目(1212011120169)；全國地熱資源調(diào)查評價(水[2011]01-17-28)。

胡元平(1971-),男,高級工程師,水工環(huán)專業(yè),從事淺層地溫能資源利用技術研究和地源熱泵系統(tǒng)設計工作。E-mail:195616306@qq.com

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1671-1211(2015)01-0059-04

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20141224.0953.013.html 數(shù)字出版日期:2014-12-24 09:53